直流电源装置的输出电压控制方法以及输出电压控制装置与流程

本发明涉及一种在包括后备用单元的多台直流电源单元与负载并联连接的直流电源装置中能够对从后备用单元到负载的电源线的布线电阻所引起的电压降进行补偿来向负载提供规定的直流电压的输出电压控制方法以及输出电压控制装置。

背景技术：

作为包括相互并联连接的多个直流电源单元的直流电源装置，已知专利文献1所记载的以往技术。

图7是该以往技术的结构图，100是交流电源，200a、200b是AC-DC转换器，是后备电源，400是被施加直流电压的负载。在此，AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b均作为直流电源单元而发挥功能，相互并联连接。

AC-DC转换器200a、200b是相同的结构，AC-DC转换器200a例如具备功率因素改善(PFC：Power Factor Correction)电路201、DC-DC转换器202、半导体开关元件203、控制电路204、平滑电容器205、电流检测器206。

另外，后备电源300a、300b是相同的结构，后备电源300a例如具备停电检测电路301、二次电池302、电池监视器303、双向DC-DC转换器304、控制电路305、半导体开关元件306、平滑电容器307、电流检测器308。

200P、200N、300P、300N是AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b的正负输出端子。这些输出端子200P、200N、300P、300N通过电源线501分别并联连接。另外，AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b经由信号线502彼此并联连接。

此外，250a、250b、350a、350b、650a、650b、750a、750b表示连接器。

图8示出了AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b的安装结构的一例。通过将连接器250a、250b、350a、350b分别与装置主体800侧的连接器650a、650b、750a、750b连接，来安装AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b。

专利文献1：日本特开2007-209195号公报(第[0035]～[0037]段、图1、图9等)

技术实现要素：

发明要解决的问题

在图7、图8所示的以往技术中，在从AC-DC转换器200a、200b和后备电源300a、300b的各输出端子200P、200N、300P、300N经过连接器650a、650b、750a、750b和电源线501到达负载400的路径上，产生布线电阻所引起的电压降，该电压降的大小根据布线长度而成为不同的值。

因此，当在交流电源100状态良好且AC-DC转换器200a正在向负载400提供规定的直流电压时交流电源100停电从而例如后备电源300a进行后备运转的情况下，产生如下问题。

即，从AC-DC转换器200a侧的连接器650a到负载400的布线长度与从后备电源300a侧的连接器750a到负载400的布线长度不同。因此，即使使针对后备电源300a的输出电压指令值与正常时的AC-DC转换器200a的输出电压指令值相等来进行运转，由于所述布线长度的差异所引起的电压降，后备运转时向负载400施加的电压也会与正常时施加的电压不相等，在两个电压之间产生误差。

因而，在负载400是服务器或存储器等而要求高的输入电压精度的情况下、或者对负载400输出低电压且大电流的情况下，无法忽略上述的电压误差。

因此，本发明要解决的课题在于提供如下一种直流电源装置的输出电压控制方法以及输出电压控制装置：考虑布线电阻所引起的电压降来求出后备用的直流电源单元的输出电压指令值，由此使得能够高精度地输出负载所要求的规定的电压。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，第一发明所涉及的输出电压控制方法涉及一种直流电源装置的输出电压控制方法，该直流电源装置具备：主供电用单元，其经由输出点向负载提供对交流电源电压进行变换而得到的直流电压；以及后备用单元，其通过在主供电用单元的运转停止时的后备运转，经由所述输出点向负载提供直流电压。

而且，本发明的特征在于，将主供电用单元运转时的所述输出点的电压与从所述后备用单元到所述输出点的布线电阻所引起的电压降相加来运算后备用单元的输出电压指令值，使按照所述输出电压指令值来运转后备用单元时的所述输出点的电压与主供电用单元运转时的所述输出点的电压相等。

另外，在第二发明所涉及的输出电压控制方法中，根据第一发明所述的输出电压控制方法，作为对后备运转时的后备用单元的输出电压指令值进行运算的校准动作，在主供电用单元运转时使后备用单元的输出电压逐渐上升，使用主供电用单元的输出电压以及后备用单元的输出电压及输出电流来计算从后备用单元到所述输出点的布线电阻，对该布线电阻与所述输出电流之积加上所述输出点的电压来预先运算所述输出电压指令值。

第三发明所涉及的输出电压控制装置涉及一种直流电源装置，该直流电源装置具备：主供电用单元，其经由输出点向负载提供对交流电源电压进行变换而得到的直流电压；以及后备用单元，其通过在主供电用单元的运转停止时的后备运转，经由所述输出点向所述负载提供直流电压。

而且，本发明的特征在于，主供电用单元和后备用单元具备检测各自的输出电压和输出电流的部件，后备用单元具备控制部件，该控制部件使用主供电用单元运转时的主供电用单元的输出电压以及后备用单元的输出电压及输出电流来计算从后备用单元到所述输出点的布线电阻，对所述布线电阻与所述后备用单元的输出电流之积加上所述输出点的电压来预先运算所述后备用单元的输出电压指令值。

第四发明所涉及的输出电压控制装置涉及一种直流电源装置，该直流电源装置具备：主供电用单元，其经由输出点向负载提供对交流电源电压进行变换而得到的直流电压；后备用单元，其通过在所述主供电用单元的运转停止时的后备运转，经由所述输出点向所述负载提供直流电压；以及外部的管理部件，其能够与所述主供电用单元及所述后备用单元之间进行通信。

而且，本发明的特征在于，主供电用单元和后备用单元具备检测各自的输出电压和输出电流的部件，所述管理部件具备控制部件，该控制部件使用主供电用单元运转时的主供电用单元的输出电压以及后备用单元的输出电压及输出电流来计算从后备用单元到所述输出点的布线电阻，对所述布线电阻与后备用单元的输出电流之积加上所述输出点的电压来预先运算后备用单元的输出电压指令值，并将该输出电压指令值发送到所述后备用单元。

发明的效果

在本发明中，预先运算对从后备用单元到主供电用单元的输出点的布线电阻所引起的电压降进行了补偿那样的输出电压指令值，在后备运转时，按照所述输出电压指令值来运转后备用单元。

由此，与后备用单元的位置无关地，在后备运转时也能够在输出点产生与主供电用单元的输出电压相同大小的电压，从而能够高精度且稳定地提供负载所要求的电压。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的结构图。

图2是图1中的各单元的主要部分的结构图。

图3是图1中的各单元的主要部分的结构图。

图4是表示本发明的实施方式中的各单元和负载的安装结构的立体图。

图5是表示本发明的实施方式中的各单元和负载的安装结构的立体图。

图6是表示在本发明的实施方式中存在校准请求的情况下的各部的处理的流程图。

图7是表示以往技术的结构图。

图8是表示以往技术中的各单元的安装结构的立体图。

具体实施方式

下面，按图来说明本发明的实施方式。首先，图1示出了本发明的实施方式的结构。

在图1中，在商用电源等交流电源10上经由电源单元PSU0连接有负载20。负载20只要是被提供直流电压的负载即可，没有特别的限定，例如是内置有主机板(motherboard)21的服务器、存储器。

电源单元PSU0具备：AC-DC变换部31，其与交流电源10连接，将交流电压变换为直流电压；DC-DC变换部32，其与AC-DC变换部31的输出侧连接，将直流电压变换为规定大小的直流电压；以及二极管33，其连接在DC-DC变换部32的输出侧与负载20之间。

另外，对电源单元PSU0连接有多台(在图示例中为7台)电池单元BBU1～BBU7，该多台电池单元BBU1～BBU7以其输出侧与该电源单元PSU0并联的方式连接。电池单元BBU1～BBU7的结构均相同，具备：电池41；DC-DC变换部42，其将电池41的直流电压变换为规定大小的直流电压；以及二极管43，其连接在DC-DC变换部42的输出侧与负载20之间。

在此，电源单元PSU0在交流电源10状态良好时进行运转来向负载20提供直流电压，电池单元BBU1～BBU7在交流电源10停电时或在电源单元PSU0由于故障而停止运转时向负载20提供直流电压。

即，电源单元PSU0相当于权利要求中的主供电用单元，电池单元BBU1～BBU7相当于权利要求中的后备用单元。

此外，电源单元和电池单元的台数丝毫不被图1的例子所限定，可以根据所需的电源容量来使任意台数的电源单元和电池单元并联连接。另外，电池单元也可以是一台。

在此，将电源单元PSU0的输出点(全部单元的共同连接点)50与负载20之间的电源线的布线电阻设为R₀，将电源单元PSU0以及电池单元BBU1～BBU7的彼此相邻的输出端子间的布线电阻分别设为R₁～R₇。

现在，考虑以下的情况：假设在电源单元PSU0运转时发生了停电，利用电池单元BBU7来作为其后备。在此，设忽略二极管33、43的正向电压降，另外，设在电源单元PSU0运转时输出点50的电压与负载20所要求的电压(额定电压)V_out相等(忽略布线电阻R₀)。

相对于图1的输出点50而言，电池单元BBU7的输出端子具有布线电阻(R₄+R₅+R₆+R₇)。假如将负载20所要求的电压V_out假设为12[V]、将布线电阻(R₄+R₅+R₆+R₇)假设为0.37[mΩ]，则在电池单元BBU7的输出电流I_bbu7为200[A]的情况下，由于布线电阻(R₄+R₅+R₆+R₇)而产生74[mV]的电压降。

因此，在将电池单元BBU7的输出电压指令值设定为12[V]、并流通200[A]的电流I_bbu7的情况下，输出点50的电压为比12[V]低74[mV]的值(实际上，对负载20施加进一步低了布线电阻R₀所引起的电压降的电压)。上述的误差电压74[mV]是12[V]的0.6[％]左右的值，但是其相对于在稳定时所容许的负载20的输入电压误差(例如±3[％])而言不能说是可忽略的值。

因此，在本实施方式中，通过如下那样的手段使得在利用电池单元进行后备运转时也对负载20施加与电源单元PSU0运转时相同大小的电压。

首先，在利用电池单元BBU7来作为电源单元PSU0的后备的情况下，预先执行下面说明的校准动作(calibration operation)。

即，在交流电源10状态良好时，在正在运转电源单元PSU0的状态下启动电池单元BBU7，并使其输出电压V_bbu7逐渐上升。当电压V_bbu7超过电源单元PSU0的输出电压V_psu0而电流I_bbu7从电池单元BBU7流出时，以下的数式1～数式3成立。

[数式1]

I_out＝I_psu0+I_bbu7

[数式2]

V_psu0-V_out＝R₀×I_out

[数式3]

V_bbu7-V_psu0＝(R₄+R₅+R₆+R₇)×I_bbu7

当设电源单元PSU0的输出电压V_psu0为固定时，根据数式3，只要知道校准中的电池单元BBU7的输出电压V_bbu7和输出电流I_bbu7，就能够计算出布线电阻(R₄+R₅+R₆+R₇)。因此，在利用电池单元BBU7进行后备运转时，只要将负载20所要求的电压V_out(当忽略布线电阻R₀时，与输出点50的电压相等)与作为补偿电压的I_bbu7×(R₄+R₅+R₆+R₇)相加来求出电池单元BBU7的输出电压指令值、并按照该输出电压指令值来运转电池单元BBU7，就能够对负载20施加规定的电压V_out。

此外，根据数式2，只要知道V_psu0、V_out、I_out，就能够计算出输出点50与负载20之间的布线电阻R₀，因此还能够计算出从负载20到电池单元BBU7的输出端子的布线电阻(R₀+R₄+R₅+R₆+R₇)。

因而，也可以是：求出I_bbu7×(R₀+R₄+R₅+R₆+R₇)来作为补偿电压，将该补偿电压与负载20所需要的电压相加来求出后备运转时的电池单元BBU7的输出电压指令值。由此，能够进行将布线电阻R₀也包括在内的更高精度的输出电压补偿。

在上述的说明中，说明了电池单元BBU7的校准动作，而对于其它电池单元，也是只要计算出该电池单元与输出点50之间的布线电阻来求出补偿电压即可。

另外，在通过多台电池单元的并行运转来作为后备的情况下，除了考虑在一部分电源线上流过多台电池单元的输出电流的合计值的情况以外，能够通过与一台电池单元的情况基本同样的校准动作，来求出针对各电池单元的布线电阻和补偿电压。

接着，图2是用于检测各单元PSU0、BBU1～BBU7的输出电流I_x和输出电压V_x的结构图，该结构在全部单元中是共通的。

在图2中，在电源单元PSU0(或电池单元BBU1～BBU7)内的DC-DC变换部32(42)的输出侧连接有逆流防止元件63。该逆流防止元件63是如OR-ing MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的超低导通电阻的半导体元件，用于在使多个单元并行运转时防止电流的逆流，该逆流防止元件63在流通电流时的电压降为可忽略的水平。

DC-DC变换部32(42)的输出电流I_x和输出电压V_x经由电平变换部64被输入到控制微型计算机61的A/D(模拟/数字)转换部61a，从而能够通过运算处理来计算出输出电流I_x和输出电压V_x。此外，61b是生成用于对DC-DC变换部32(42)的半导体开关元件进行驱动的脉宽调制(PWM：Pulse Width Modulation)信号的PWM电路，62是直流电流检测器。

全部单元PSU0、BBU1～BBU7均具备图2的结构，由此，控制微型计算机61能够检测本单元的输出电流I_x和输出电压V_x。另外，如果从后述的主侧的管理微型计算机80指定规定的单元的地址来进行通信，则管理微型计算机80能够监视该单元的输出电流I_x和输出电压V_x。

图3示出了用于从主侧的管理微型计算机80指定各单元(为了方便而设为单元0、1)的地址来监视输出电流I_x和输出电压V_x的结构。此外，这些单元0、单元1相当于电源单元PSU0及电池单元BBU1～BBU7中的任一个。

若例示各单元PSU0、BBU1～BBU7和负载20的安装结构则如图4、图5那样。图4是正面侧的立体图，图5是背面侧的立体图，如图5所示，在背面侧配置有将各单元PSU0、BBU1～BBU7的直流输出端子进行线或(wired OR)连接的背板70。

在前述的图3中，例如单元0内的控制微型计算机61具备通用输入输出部(GPIO：General Purpose Input/Output)61c和串行通信部61d，经由上拉电阻65对通用输入输出部61c施加控制微型计算机61的电源电压。另外，通用输入输出部61c与背板70内的接地端子GND连接或者处于未连接(NC)状态。

并且，串行通信部61d经由背板70而与管理微型计算机80的串行通信部81连接。

在这样的结构中，管理微型计算机80经由串行通信部81、61d来检测通用输入输出部61c与背板70的连接状态，由此能够识别各单元的地址(图4、图5中的安装位置)。

例如，如图3那样，将通用输入输出部61c被连接为“GND、GND、GND”的单元0的地址分配为0号地址，同样地，将通用输入输出部61c被连接为“NC、NC、GND”的单元1(相当于图1的电池单元BBU1～BBU7中的任一个)的地址分配为1号地址。在该情况下，管理微型计算机80能够识别出单元1被配置为1号地址，因此能够在单元1的校准动作时监视其输出电流和输出电压来计算到输出点50为止的布线电阻，并求出利用单元1进行后备运转时的适当的输出电压指令值。

识别各单元的地址的方法丝毫不被上述的方法所限定，也可以采用其它方法，这是不言而喻的。

此外，在单元1内的控制微型计算机61中也能够执行计算布线电阻来求出补偿电压、并将该补偿电压与输出点50的电压V₀相加来运算单元1的输出电压指令值的处理，因此也可以如下述的图6所示的那样在单元1侧运算本单元的输出电压指令值。

图6是表示在从某个电池单元BBUn(在本实施方式中，n＝1～7)存在校准请求的情况下的各部的处理的流程图。

首先，当在电源单元PSU0的运转中由电池单元BBUn的控制微型计算机61输出了校准请求时(步骤S1)，接收到该请求的管理微型计算机80判定该校准请求是否适当(S2)。具体地说，如果其它电池单元处于校准动作中，则不允许本次产生的校准请求，否则允许。在此，管理微型计算机80能够通过识别前述的地址来确定校准请求是从哪个电池单元输出的。

在此，也可以在电池单元的热插拔(hot swapping，带电安装)时自动产生校准请求。

管理微型计算机80在允许校准请求的情况下，向电源单元PSU0通知存在请求，电源单元PSU0识别该通知(S3)。电源单元PSU0当自己的输出电流I_psu0为零时无法测定输出电压V_psu0，作为结果，存在对负载20施加过大的电压的担忧，因此电源单元PSU0在输出电流I_psu0为阈值以上的情况下允许校准，并向管理微型计算机80进行通知(S4)。

管理微型计算机80接受上述的通知，向电池单元BBUn通知允许校准的意思(S5a)。电池单元BBUn接受校准允许(S5a)而开始校准动作，使自己的输出电压指令值逐渐上升(S6a)。

另一方面，在电源单元PSU0中，如果输出电流I_psu0达到下限值则生成校准停止委托，将该校准停止委托作为停止请求而通知给管理微型计算机80(S5b)。在管理微型计算机80中，接受校准停止请求(S5b)，将该意思通知给电池单元BBUn(S6b)。

电池单元BBUn接受校准停止请求(S6b)，停止输出电压指令值的上升，并测定自己的输出电压V_bbun和输出电流I_bbun。然后，使输出电压指令值下降到规定的待机电压或零，并生成完成通知，将该完成通知发送到管理微型计算机80(S7)。此外，也可以是：即使没有来自管理微型计算机80的校准停止请求(S6b)，电池单元BBUn也在确保了足够大小的输出电流的时间点主动地向管理微型计算机80发送完成通知。

接收到完成通知的管理微型计算机80在确认了不存在其它电池单元的校准动作的基础上，设为能够受理新的校准请求的状态(S8)。另外，向电源单元PSU0通知本次的校准动作已完成，由此电源单元PSU0识别出本次的校准动作的停止(S9)。

执行了前述的步骤S7的处理的电池单元BBUn使用之前测定出的输出电压V_bbun和输出电流I_bbun来计算从自己的输出端子到图1的输出点50的布线电阻R，通过V_ref+R×I_bbun来运算后备运转时的输出电压指令值，并将该输出电压指令值存储到存储器中(S10)。在此，V_ref是负载20所要求的输出点50的电压，在能够忽略图1的布线电阻R₀的情况下与负载20的额定电压V_out相等。

电池单元BBUn在由于交流电源10停电等而进行后备运转时，按照存储器中存储的输出电压指令值来进行运转，由此能够对负载20施加与电源单元PSU0运转时相同大小的电压V_out。

此外，图6所示的管理微型计算机80的处理也可以由电源单元PSU0的控制微型计算机61来执行。另外，也可以是：由管理微型计算机80进行图6中的步骤S10的处理，并将运算出的输出电压指令值发送到电池单元BBUn来使该电池单元BBUn进行存储。

如以上那样，根据本实施方式，在利用电池单元BBUn进行后备运转时，能够使用对电源线的布线电阻所引起的电压降进行了补偿的输出电压指令值来运转电池单元BBUn，从而能够将输出点50的电压维持为与利用电源单元PSU0进行供电时大致相同的值。

产业上的可利用性

本发明能够利用于在多台直流电源单元中的一台由于停电、故障而停止运转的情况下通过利用其它直流电源单元进行后备运转来持续地向负载供电的直流电源装置。并且，在低电压且大电流输出、并且从直流电源单元到负载的布线电阻所引起的电压降大至无法忽略的程度的情况下，本发明尤其有用。

附图标记说明

PSU0：电源单元(主供电用单元)；BBU1～BBU7：电池单元(后备用单元)；10：交流电源；20：负载；21：主机板；31：AC-DC变换部；32：DC-DC变换部；33：二极管；41：电池；42：DC-DC变换部；43：二极管；50：输出点；61：控制微型计算机；61a：A/D转换部；61b：PWM电路；61c：通用输入输出部；61d：串行通信部；62：直流电流检测器；63：逆流防止元件；64：电平变换部；65：上拉电阻；70：背板；80：管理微型计算机；81：串行通信部。